KR101675973B1 - 차량용 가열 장치 및 가열 장치의 작동 방법 - Google Patents

차량용 가열 장치 및 가열 장치의 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 열 전달 매체를 위한 유로; 및 유로의 가열부 상에서 열 전달 매체를 가열하기 위한 전기 가열 유닛을 포함하는 차량용 가열 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 가열부는 열 전달 매체가 병렬적으로 유동할 수 있는 적어도 두개의 구불구불한 채널들(20)을 구비한다. 본 발명은 또한 가열 장치(10)의 작동 방법에 관한 것이다.

Description

차량용 가열 장치 및 가열 장치의 작동 방법{Heating device for a vehicle and method for operating said heating device}
본 발명은 차량용 가열 장치와 차량의 가열 장치 작동 방법에 관한 것이다.
전기 가열 장치는, 예를 들어, 차량에서 보조 가열원 또는 임시 가열원으로 사용되고 있다. 일반적으로 전기 가열 장치는 열을 발생시키고 발생된 열을 열 전달 매체에 방열시키는 적어도 하나의 전기 가열 유닛을 포함한다. 열 전달 매체는, 예를 들어, 물이나 다른 적합한 열 수송 액체일 수 있다.
전기 가열 유닛은 가열 유닛의 발열량을 제어하는 전자 제어 유닛에 연결될 수 있다. 전자 제어 유닛은, 예컨대 가열 유닛의 전류를 제어하거나 가열 유닛에 인가되는 전압을 제어하는 파워 트랜지스터 또는 반도체 기반 전자 회로를 포함할 수 있다. 파워 트랜지스터는, 예컨대 절연 게이트 전극(IGPT)을 구비하는 쌍극성 트랜지스터일 수 있다. 파워 트랜지스터는 가열 요소, 예컨대 가열 저항기에 직렬로 전기적으로 연결될 수 있다. 부수적 효과로 전자 제어 유닛은 보통 제어 유닛이 과열되는 것을 방지하기 위해 소멸될 필요가 있는 열을 발생시킨다. 예를 들어, 인가되는 공기를 통해 폐열을 방열시키는 공기 냉각이 제공될 수 있다. 예컨대, 전자 제어 유닛은 공기가 유동할 수 있는 공기 덕트 내부에 위치될 수 있다. 송풍기, 예컨대 팬은 공기 유동을 발생시킬 수 있도록 덕트 내부에 배치될 수 있다. 전자 제어 유닛에 의해 예열된 공기는 희망 온도로 더 가열될 수 있도록 가열 유닛을 더 지나도록 보내질 수 있다. 그 다음, 가열된 공기는 목적지, 예를 들어, 차량의 객실로 보내질 수 있다.
본 발명의 목적은 컴팩트하고, 견고하고, 에너지를 절약할 수 있으며, 구조상으로 간단한 전기 가열 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 구조적으로 간단한 방식으로 실행될 수 있는 에너지 효율적인 차량용 가열 장치의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적들은, 독립항들의 구성들로 달성될 수 있다. 종속항들은 개선사항과 유리한 실시예들을 나타낸다.
차량용 가열 장치가 이하에서 설명된다. 여기서, 가열 장치는 액체 열 전달 매체를 위한 유로와, 열을 발생시키고 발생된 열을 유로의 가열부 상에서 열 전달 매체에 전달하기 위한 전기 가열 유닛을 포함한다.
가열부는 열 전달 매체가 병렬적으로 유동할 수 있는 적어도 두개의 구불구불한 채널들을 포함한다. 채널들의 병렬 연결은, 오직 하나의 구불구불한 채널을 갖는 대체 구성 또는 직렬 연결된 채널과 비교할 때, 가열부 상에서 압력 손실이 작은 이점이 있다. 그러므로 열 전달 매체를 유동시키는 펌프 또는 다른 구동 수단은 더 작은 전력으로 작동할 수 있고 보다 강력하지 않을 수 있다. 몇 가지의 다른 대체 구성, 말하자면 적어도 두가지 구성을 비교하면, 병렬 연결되는 직선 채널들에 비해 여기서 설명되는 구불구불한 형상의 채널들은 열 전달 매체에 난류를 일으키는 이점이 있으며 이에 따라 열 전달 매체의 과열이나 끓음이 방지되거나 지연될 수 있다. 그러므로 복수의 구불구불한 채널들의 병렬 연결은 이러한 두가지 대안적 실시예들 사이의 조합, 즉, 하나의 구불구불한 채널과 병렬 연결된 복수의 직선 채널들 사이의 조합이다. 이러한 조합은 난류에 유리할 수 있고 동시에 가열부 상에서 상대적으로 작은 압력 손실을 초래한다.
유로는 가열부의 상류 입구부와 가열부의 하류 출구부를 포함하며, 채널들은 입구부로부터 분기되어 출구부로 배출된다. 이에 따라 채널들은 입구부를 출구부에 연결한다. 공통된 입구부와 공통된 출구부가 채널들을 위해 제공된다. 이는 예컨대 각각이 정확히 하나의 채널을 포함하는 일군의 동일 가열 장치들과 비교할 때, 구성요소의 개수를 줄일 수 있도록 한다.
입구부는 그 횡단면 영역이 채널의 분기부에 따라서 열 전달 매체의 유동방향으로 감소하도록 설계될 수 있다. 유사하게, 입구부는 그 횡단면이 채널들의 배출 지점에 따라서 열 전달 매체의 유동 방향으로 증가하도록 설계될 수 있다. 이에 따라 압력이 각각의 분기 지점에서 대략적으로 같을 수 있다. 예를 들면, 분기 지점들 및/또는 배출 지점들은 입구부와 출구부를 한정하는 박스에 의해 각각 상대적으로 연결될 수 있다. 박스는 모든 채널들에 동일한 압력이 작용되도록 설계될 수 있다. 따라서 입구부(입구 박스)를 한정하는 박스가 유동 방향으로 좁아지게 구상될 수 있다. 유사하게, 출구부(출구 박스)를 한정하는 박스는 유동 방향으로 넓어지게 구상될 수 있다. 개별적인 채널들은 동일하게 형성될 수 있다. 이는 채널들의 기하 구조를 산출하는데 이점을 가져올 수 있다.
입구부와 출구부는, 예컨대 서로 나란하게 연장되고 확장될 수 있다. 이에 따라 입구부와 출구부 사이의 체적은 입구부와 출구부 사이의 채널들의 배치하기 유리한 일정한 횡단 수치를 갖는다. 채널들 각각은 입구부로부터 직각으로 분기되고 출구부로 직각으로 배출되게 구상될 수 있다. 이는 분기 지점들과 배출 지점들에 난류를 발생시키데 유리할 수 있다. 또한, 동일 평면상에서, 예컨대 가열 장치의 전면상에 열 전달 매체를 위한 입구과 출구을 배치할 수 있도록 한다.
채널들 각각은 정확히 2*N 개의 헤어핀 커브들로 구성되게 구상될 수 있으며, 여기서 N은 자연수를 의미한다. 본 명세서에서, 헤어핀 커브는 150도에서 180도 사이의 각도를 갖는 커브를 의미한다. 이러한 헤어핀 커브는 각도에 의해 열 전달 매체의 유동 방향의 전환을 만든다. 이는 유로의 기하 구조를 단순화시킨다.
유로는 가열 장치로 열 전달 매체가 인입을 허용하는 입구부의 입구상류와 가열 장치로부터 열 전달 매체를 배출하기 위한 출구부의 출구하류를 포함한다. 이에 따라 가열 장치는 가열 회로에서 모듈로서 사용될 수 있다. 가열 회로는 열 전달 매체로부터 가열되도록 공기에 열을 전달하는 공기 열교환기와, 구동 장치, 예컨대 열 전달 매체를 유동시키는 펌프와 같은 구성요소들 또는 모듈들을 더 포함할 수 있다.
채널들 각각에 있어서, 하나 또는 그 이상의 회전부재들이 채널안에서 유동하는 열 전달 매체의 채널의 대략 세로축에 대해 회전을 일으키도록 배치될 수 있다. 그러므로 각각의 회전부재는 흐름에 회전 구성을 추가할 수 있다. 회전부재는 수동형 회전부재일 수 있다. 말하자면, 구동 수단이 결여될 수 있다. 수동형 회전부재는 열 전달 매체의 병진 운동 에너지의 일부를 회전 운동 에너지로 변환시키도록 기하학적으로 구성될 수 있다.
또한 회전부재는 채널에서 열 전달 매체를 뒤섞도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 회전부재는 열 전달 매체에 난류를 일으키도록 구성될 수 있다. 이는 가열 유닛으로부터 열 전달 매체에 열을 전달하는 데 유리할 수 있다.
제어 유닛은 제어 유닛으로부터 가열부의 유로 상류의 입구부 상에서 열 전달 매체로 폐열을 방열하기 위한 방열체를 구비할 수 있다. 입구부는 이 경우 예열부를 형성한다. 전자 제어 유닛으로부터 폐열은 대체로 가열되어야 하는 목적 매체 (예컨대, 차량의 객실에 공급되는 공기)에 직접적으로 전달되는 것이 아니라 액체 열 전달 매체에 전달된다. 이에 요구되는 설계 체적은, 예컨대 전자 제어 유닛의 공기 냉각과 비교하여 더 작을 수 있다. 공기 덕트 또는 가열 장치 안쪽의 공기 유로를 한정하는 다른 구성품들 그리고 송풍기는 필요없을 수 있다. 방열체는, 예컨대 열 전달 매체를 위한 입구 챔버 안쪽 또는 가열부의 열 전달 매체 상류의 또 다른 유로 지역 안쪽에 배치될 수 있다.
전자 제어 유닛으로부터 방열체를 통해 열 전달 매체로의 충분히 높은 열 전도율은 열 전달 매체의 적절한 유속과 함께 방열체의 적합한 크기 조절과 기하학적 형상에 의해 보장될 수 있다. 방열체를 거쳐 흐르는 열 전달 매체, 예컨대 물은 끓음이 방지될 수 있다. 방열체에서 열 전달 매체의 끓음은 방열체에 거품들을 형성시키기 때문에 바람직하지 않을 수 있으며, 이러한 거품들은 열적 차단 효과을 가질 수 있으며 전자 제어 유닛으로부터 폐열의 방열을 지연시킬 수 있다. 그러나 방열체의 적절한 크기와 형상은 열 전달 매체가 끊는 경우라도 방열체에 형성되는 거품들이 열 전달 매체의 유동과 함께 씻겨나갈수 있게 한다. 그러므로, 매끄럽고(거칠지 않은) 유선형 표면을 갖는 방열체가 유리할 수 있다. 거칠고, 울퉁불퉁하고 비유선형 표면은 그 표면에 열 전달 매체의 난류 발생에 유리할 수 있으며, 이는 방열체로부터 열 전달 매체로의 열 흐름에 유리할 수 있지만, 열 전달 매체가 끓는 경우 형성되는 거품들이 방열체에 달라붙게 되는 결과를 낳을 수 있다. 그렇지만 끊는데 따른 위험이 무시할 수 있을 정도라면, 난류에 유리한 방열체 표면 구조가 더 나은 선택이 될 수 있다.
방열체는 열 전달 매체의 유동 저항이 최소화 될 수 있게 지향될 수 있다. 유로를 따라 열 전달 매체를 움직이는데 필요한 힘, 말하자면 열 전달 매체의 유동을 일으키는데 필요한 힘은 이러한 방식으로 최소화 될 수 있다. 예를 들어, 펌프가 열 전달 매체를 구동시키는데 사용된다면, 상대적으로 낮은 힘과 상대적으로 낮은 에너지 소비를 갖는 펌프가 사용될 수 있다. 게다가, 방열체에 거품 형성 위험이 감소될 수 있다.
가열 장치는 가열부의 열 전달 매체 하류로부터 공기에 열을 전달하기 위한 공기 열교환기를 구비할 수 있다. 공기 열교환기는, 예를 들어 열 전달 매체를 위한 복수의 채널들과 서로 인접 배치되는 공기를 위한 복수의 채널들을 구비해 공기에 최적의 열 전달을 확보할 수 있다. 가열 장치는 적어도 부분적으로 예열부에서 유로를 한정하는 벽체를 더 포함하며, 방열체는 벽체에서 예열부 측으로 연장된다. 방열체는, 예컨대 벽체의 돌출부 또는 핀(pin), 볼트, 또는 핀(fin)으로 형성될 수 있다. 또한 방열체는 벽체의 반대측으로 연장되게 구상될 수 있다. 따라서 예열부에서 가능한 체적은 최적화된 방식으로 활용될 수 있다. 방열체는, 예컨대 벽체의 반대 측면들에 부착된 두개의 끝단을 포함할 수 있다. 이러한 배치는 특히 견고할 수 있다. 가열 장치가 복수의 전자 제어 유닛들을 포함한다면 두개의 끝단 각각에 전자 제어 유닛이 배치될 수 있다. 예컨대, 가열 장치는 복수의 전기 가열 유닛들, 예컨대 파워 스위치와 같은 각각 연관된 전자 제어 유닛을 각각 갖는 병렬 연결된 복수의 가열 저항기들을 포함할 수 있다. 방열체와 벽체는 일체로 형성될 수 있다. 이것은 가열 장치 생산을 용이하게 하고 높은 강성을 보장한다. 방열체와 벽체는, 예컨대 높은 열 전도성을 갖는 적합한 재질로 형성된 부분으로 만들어 질 수 있다. 그렇지 않으며, 방열체는, 예컨대 금속, 알루미늄등의 높은 열 전도성을 갖는 재질로 만들어 지고 벽체는 플라스틱이나 세라믹등의 열 차단 재질로 만들어 질 수 있다. 따라서 방열체와 열 전달 매체 사이의 열 전달은 최적화될 수 있는 반면 가열 장치의 벽체에서 인접한 구성들 또는 공기등의 다른 환경으로 열 손실이 최소화될 수 있다. 상술한 바와 같이, 가열 장치는 제2 전자 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 방열체는 제1 제어 유닛에서 제2 제어 유닛으로 연장된다. 제1 제어 유닛과 제2 제어 유닛은 이러한 경우 공통된 방열체를 공유한다. 따라서 생산비는 절감될 수 있고 강성은 강화될 수 있다.
가열 장치는 가열부에서 가열 유닛으로부터 열 전달 매체로 열을 전달하는 열 전달 유닛을 더 포함할 수 있다. 이와 달리, 전기 가열 유닛은 열 전달 매체와 바로 접촉될 수도 있다. 열 전달 유닛과 방열체는 일체로 형성될 수 있다. 열 전달 유닛을 포함하는 구성과 방열체는, 예컨대 제1 그룹의 핀들(fins)과 제2 그룹의 핀들(fins)을 포함할 수 있으며, 각 그룹은 적어도 하나의 핀(fin)을 포함하고 제1 그룹은 유로의 가열부에 배치되고 반면에 제2 그룹은 유로의 예열부에 배치된다. 말하자면, 제1 그룹의 핀들은 열 전달 유닛이거나 열 전달 유닛의 일 부분일 수 있는 반면 제2 그룹의 핀들은 방열체이거나 방열체의 일 부분일 수 있다. 인접한 핀들은, 예컨대 유로의 일 부분인 열 전달 매체를 위한 채널을 한정할 수 있다.
가열 장치는 열 전달 유닛과 방열체를 서로 연결하고 열 전달 유닛과 방열체 사이의 열 저항이 최단 라인과 비교하여 증가되는 비직선 라인을 따라 연장되는 연결부재를 포함할 수 있다. 전기 가열 장치로부터 전자 제어 유닛으로의 열 흐름은 이러한 방식으로 최소화될 수 있다. 연결부재는, 예컨대 주름 또는 복수의 연속적인 주름들로 형성될 수 있다.
상술한 비직선 라인은, 예컨대 L, U, V, S, Z, N, M 및 W 중 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명은 컴팩트하고, 견고하고, 에너지를 절약할 수 있으며, 구조상으로 간단한 전기 가열 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은, 구조적으로 간단한 방식으로 실행될 수 있는 에너지 효율적인 차량용 가열 장치의 작동 방법을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치의 평면도이다.
도 2는, 도 1의 가열 장치의 사시도이다.
도 3은, 도 1의 가열 장치의 또 다른 사시도이다.
도 4는, 도 1의 가열 장치의 부분 확대도이다.
도 5는, 도 1의 가열 장치의 또 다른 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 유로를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 제어 유닛을 위한 방열체를 구비하는 열 전달 유닛을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가열 장치의 단면도이다.
도 9는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 가열 장치의 단면도이다.
도 10은, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 장치를 나타내는 도면이다.
도 11은, 채널안에 있는 도 10의 혼합 장치를 나타내는 도면이다.
도 12는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 혼합 장치를 나타내는 도면이다.
도 13은, 채널안에 있는 도 12의 혼합 장치를 나타내는 도면이다.
도 14는, 본 발명에 따른 흐름도이다.
도면들 대비 이하의 설명에 있어서, 동일한 참조 부호들은 동일하거나 또는 대응되는 구성요소들을 지칭한다.
도 1 내지 도 5는, 예컨대 모터 구동 자동차 또는 이동식 거주구 또는 작업용 컨테이너와 같은 차량용 전기 가열 장치(10)를 나타낸다. 전기 가열 장치(10)는 가열 장치(10)의 내부 영역이 드러나도록 그 상부가 개방되게 도 1에 나타내어져 있다. 가열 장치(10)는 하우징(12)을 포함한다. 예컨대 물과 같은 액체 열 전달 매체를 위한 유로는 하우징(12) 내부에 한정된다. 본 실시예에서, 유로는 다음의 순서대로, 입구(14), 입구 챔버(16)(입구부), 열 전달 유닛(18)에 의해 한정되는 복수의 채널들(20), 출구 챔버(22)(출구부), 그리고 출구(24)를 포함한다. 채널들(20)은 서로 병렬적으로 연결되고 입구 챔버(16)를 출구 챔버(22)에 연결한다.
적어도 하나의 전기 가열 유닛(25)은, (도 8 및 도 9 참조), 열 전달 유닛(18)과 통합되거나, 열 전달 유닛(18)의 상면 또는 하면에 배치되고 열 전달 유닛과 기계적으로 연결되어 전기 가열 유닛(25)과 열 전달 유닛(18) 사이의 열 저항이 낮다.
본 실시예에서, 가열 장치(10)는 복수의 전기 가열 유닛들(25)과, (도 8 및 도 9 참조), 전기 가열 유닛들(25) 각각의 개별적인 발열량을 제어하기 위해 대응하는 개수의 전자 제어 유닛들(26), (역시 도 8 및 도 9를 참조)을 포함한다. 따라서 각각의 전기 가열 유닛(25)은 해당하는 것과 연관된 전자 제어 유닛(26)을 구비한다. 전기 가열 유닛(25)은 하나 또는 그 이상의 가열 요소들을 포함할 수 있다. 전기 가열 유닛(25)과 전자 제어 유닛(26)은, 예를 들어, 가열 저항기와 가열 저항기와 직렬로 연결된 파워 트랜지스터일 수 있다.
이와 달리, 일군의 전기 가열 유닛(25)들이 연관되는 공통의 전자 제어 유닛(26)과 연결될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서 일군의 전기 가열 유닛(25)은 가열 장치(10)의 모든 전기 가열 유닛(25)을 포함할 수 있으며, 이러한 일군의 전기 가열 유닛(25)은 전기 가열 유닛(25)들의 통합된 발열량을 제어하기 위한 전자 제어 유닛(26)으로 구현된 파워 스위치와 직렬로 연결될 수 있다. 만약 복수의 전자 제어 유닛(26)이 제공된다면, 이것들은 일체의 구성으로 실시될 수 있을 것이다. 본 실시예에서, 전자 제어 유닛(26)은 전압 공급을 위해 적어도 두개의 전기 접촉부재(30)를 통해 각각 접촉될 수 있다.
전자 제어 유닛(26) 각각은 방열체(28)에 기계적으로 연결된다. 방열체는 전자 제어 유닛(26)으로부터 입구 챔버(16) 내부의 열 전달 매체로 폐열을 방열한다. 따라서 입구 챔버(16)는 또한 유로의 예열부로서 지칭된다. 각 전자 제어 유닛(26)은 연관된 하나 또는 그 이상의 방열체들(28)을 구비할 수 있다. 이와 달리, 방열체들(28)은 하나의 더 큰 방열체로 구성될 수도 있다. 본 실시예에서, 방열체들(28)은 전자 제어 유닛(26)으로부터 입구 챔버(16)로 연장되고, 가열 장치(10)가 작동하는 동안, 열 전달 매체가 방열체(28)들 주변을 유동하며 그에 따라 방열체(28)들로부터 열이 열 전달 매체에 전달된다. 방열체(28)들과 전자 제어 유닛(26)은 이로 인해 냉각되며, 반면에 열 전달 매체는 예열된다. 예열된 열 전달 매체는 입구 챔버(16)로부터 채널(20)들을 통해 흐른다. 따라서 채널(20)들을 한정하는 열 전달 유닛(18)을 거쳐 흐르면서 전기 가열 유닛(25)에 의해 발생된 열을 흡수한다. 그러므로 각각의 채널(20)들, 또는 전체 채널(20)들은 또한 유로의 가열부로서 지칭된다. 이와 같이 가열된 열 전달 매체가 출구 챔버(22)를 통해 더 흘러 출구(24)를 통해 가열 장치(10) 밖으로 나간다.
각각의 방열체(28)들은, 열을 전자 제어 유닛, 예컨대 전력 반도체로부터 열 전달 매체로 방열시키기 위한, 예를 들어, 사각 형상 또는 V자 형상의 단면을 갖는 핀(fin)으로 고안될 수 있다. 그러므로 방열체는 열 전달 매체에 경로를 제공할 수 있다. 이와 달리, 방열체(28)는, 예를 들어 대응하는 전자 제어 유닛(26), 예컨대 각각의 위치 또는 지점에서 상대적으로 작은 칩 영역하의 열을 흡수하기 위한 콘(cone), 볼트, 또는 핀(pin)등일 수 있다. 그러한 콘, 볼트, 또는 핀(pin)은 또한 열 전달 매체의 난류를 강화시킬 수 있고 방열을 촉진시킬 수 있다. 이에 따라 전자 제어 유닛(26)이 과열되는 것을 막을 수 있으며 폐열은 열 전달 매체를 가열하는 데 사용될 수 있다.
본 실시예에서 입구 챔버(16)는 하우징(12)의 벽체(32)에 의해 외곽이 한정될 수 있다. 또한 출구 챔버(22)는 하우징(12)의 벽체(34)에 의해 외곽이 한정될 수 있다. 벽체들(32,34)은 각각 입구(14)과 출구(24)으로부터 각각 제1 방향과 제2 방향으로 연장되며, 여기서 제1 방향과 제2 방향은 일반적으로 사각 형상의 하우징(12)의 3개의 주축 중 2개에 대해 기울어진다. 따라서 벽체(32)는 입구 챔버(16)가 유동 방향(즉, 입구(14)에서 멀어지는 방향)으로 좁아지게 한다. 벽체(34)는 출구 챔버(22)가 유동 방향(즉, 출구(24)에 가까워지는 방향)으로 넓어지게 연장된다. 이것은 채널들(20)이 대략적으로 동일 압력의 열 전달 매체을 갖도록 한다.
가열 장치(10)에 의해 한정되는 유로는 도 6에 더 개략적으로 나타나 있다. 본 실시예에서, 채널들(20)은 적절하게 열 전달 유닛(18)으로 형성된다. 작동 중에, 열 전달 매체는 동시에 입구 챔버(16)로부터 분기 지점들(36)을 통해 개별적인 채널들(20)에 흐르고 합류 지점들(38)에서 출구 챔버(22)로 배출된다. 3개의 도시된 채널들(20) 각각은 구불구불한 라인을 따라 연장되고, 예컨대 4개의 헤어핀 커브들을 포함한다. 합류 지점(38)은 동일 채널의 분기 지점(36)에 대응된다. 각 채널(20)안에는 열 전달 유닛으로부터 열 수송 부재로의 열 흐름을 증가시키기 위한 하나 또는 그 이상의 혼합 장치들이 배치될 수 있다.(도 10 내지 13 참조)
도 7은 방열체(28)와, 전자 제어 유닛(26)과, 열 전달 유닛(18)의 일예에 관한 개략적인 측면도를 나타낸다.
본 실시예에서, 열 전달 유닛(18)과 방열체(28) 각각은 냉각 핀으로 널리 알려져 있으며, 유로의 예열부와 가열부 상에서 상대적으로 열 전달 매체에 더 빠르게 열을 전달하는 복수의 핀(fin)으로 구성되는 그룹을 포함한다. 예컨대 반도체 칩일 수 있는 전자 제어 유닛(26)은 방열체(28)에 부착될 수 있다. 본 실시예에서, 열 전달 유닛(18)과 방열체(28)는 일체로 형성된다. 이들은 비직선 라인을 따라 연장된 연결부재(44) 통해 서로 연결된다. 이에 따라, 한편으로는 간단하게 제조할 수 있으면서도 강성을 유지하는 것을 절충시킬 수 있고 다른 한편으로는 열 전달 유닛(18)과 방열체(28) 사이에 우수한 열 차단성이 성취될 수 있다. 적어도 열 전달 유닛과 열 접촉 상태의 전기 가열 유닛(25)이, (도 8 및 도 9 참조), 전자 제어 유닛(26)보다 더 높은 작동 온도에 도달하려면, 방열체는 열 전달 유닛(18)으로부터 열적으로 잘 차단되는 것이 요구될 수 있다. 본 실시예에서, 연결부재(44)는 대체로 U자로 형성되어 있다. 연결부재(44)는 동일 거리의 양 끝지점이 주어질 때 가상의 직선 연결부재와 비교하면 더 길어 전자 제어 유닛(26)의 가열을 감소시키는 높은 열 저항을 갖는다. 이에 따라 열 전달 유닛(18)과 방열체(28)는 서로 어떤 온도로 열적으로 분리되어 있다. 다시 말하면, 열 전달 유닛(18)과 방열체(28) 사이에 최소일 수 있는 동일한 거리가 주어질 때, 비직선 연결부재(44)는 동일하게 가능한 직선 연결부재와 비교할 때 전기 가열 유닛(25)에서 전자 제어 유닛(26)으로의 열 흐름을 감소시킨다. 이에 따라 컴팩트한 구조를 이룰수 있다. 이는 전기 가열 유닛(25)에 의해 전자 제어 유닛(26)이 너무 많이 가열되지 않으면서 열 전달 유닛(18)과 방열체(28)가 하나의 구성으로 구현될 수 있는 컴팩트한 구조를 가능하게 한다.
도 8는 열 전달 유닛(18)과 방열체(28)가 직선 연결부재(44)를 통해 서로 연결된 가열 장치(10)의 실시예를 나타낸다.
도 9에 개략적으로 나타낸 실시예는 가열 장치(10)의 동일한 전체 부피가 주어질 때, 열 전달 유닛(18)과 방열체(28) 사이에 보다 나은 열적 차단성을 달성하도록 연결부재(44)가 비직선, 예컨대, S자형인 점에서만 도 8의 실시예와 구별된다. 전자 제어 유닛(26)은 방열체(28)를 통해 전자 제어 유닛(26)으로부터 폐열의 빠른 방열을 달성하도록 방열체(28)에 부착될 수 있다.
도 10은 혼합 장치(46)의 일 실시예를 나타내고 있다. 혼합 장치(46)는, 예컨대, 같이 체인을 형성하는 복수의 회전부재들(48)과 하나 또는 그 이상의 굴절부재들(50)로 구성된다. 회전부재들(48)은 각각 스크류 형상 또는 팬 형상일 수 있다. 2개의 바로 연속하는 회전부재(48)는 예컨대, 다른 패킷들의 열 전달 매체를 뒤섞을 수 있도록 서로에 대해 90도의 회전각을 가질 수 있다.
도 11은 도 1 내지 도 9에서 혼합 장치(46)를 갖는 채널들(20) 중 하나를 나타내고 있다. 회전 체인으로도 지칭되는 혼합 장치(46)는 채널 내부에 배치된다. 굴절부재(50)는 채널(20)의 헤어핀 커브 각각에 위치된다. 혼합 장치(46)은 적어도 채널(20) 내부에 배치된 때 강성이거나 움직이지 않을 수 있다. 회전부재(48)와 굴절부재(50)는 열전달을 다소 향상시킬 수 있더라도 반드시 높은 열 전도성을 갖는 재질로 구성될 필요는 없다. 예컨대, 회전부재(48)와 굴절부재(50)는 플라스틱 재질로 마련될 수 있다. 혼합 장치(46)는 유동하는 열 전달 매체에 회전력을 전달하고 한번 또는 반복적으로 열 전달 매체를 나누도록 구성된다. 회전은 열 전달 매체의 분자들이 열 전달 유닛의 온도 분포가 다른 지역들을 경유하게 하고 채널 벽체의 뜨거운 경계층에서 벗어나게 한다. 유동하는 열 전달 매체의 각 구역은 온도 분포가 다른 지역들로부터 분자들을 뒤섞을 수 있다.
예컨대, 복합 구성 접착제를 위한 혼합 분사로부터 알수 있듯이, 혼합 장치가 적용될 수 있다. 그러나 본 실시예에서, 다른 물질들이 아닌 다른 온도 분포 지역의 동일한 열 전달 매체가 혼합된다.
굴절부재(50)의 총 개수와 그 굴절 각도(예컨대, 150도에서 180도 사이)는 채널의 형상에 따라 다양할 수 있다. 혼합 장치(46) 자체가 상대적으로 부피가 작고 유선형이기 때문에, 예컨대, 유동의 차단과 데드 스페이스를 피할 수 있다. 그러므로 혼합 장치(46)로 인한 추가적인 압력 손실은 매우 작은 반면, 열의 흐름을 상당히 증가될 수 있다.
도 12 및 도 13은 혼합 장치(46)의 다른 실시예를 나타낸다.
도 14의 흐름도는 가열 장치(10)의 작동 모드를 도시한다.
블록 S1에서, 가열 장치(10)가 스위치 온(On)된다. 가열 장치(10)가 스위치 온(On)된다. 예를 들면, 펌프(미도시)가 스위치 온되어, 유로를 따라 열 전달 매체가 유동할 수 있다. 동시에 또는 그 직후에, 전자 제어 유닛(26)이 작동되어 전기 가열 유닛(25)을 통해 전류를 인가하여 열을 발생시킨다.
전기 가열 유닛(25)은 유로의 가열부에서 열 전달 매체에 가열된 열을 방열시킨다(블록 S2). 그 이전에, 방열체(28)를 지나거나 그 주변에 흐르는 열 전달 매체는 전자 제어 유닛(26)으로부터 나오는 폐열을 방열체(28)를 통해 흡수하며, 이에 따라 전자 제어 유닛(26)은 냉각되고 열 전달 매체는 예열된다.
블록 S3에서, 가열 장치(10)가 스위치 오프(Off)된다.
상술한 설명, 도면들 및 청구항들에 나타나는 본 발명의 특징들은 본 발명을 실시하기 위한 어떠한 조합 뿐만 아니라 개별적으로 관련될 수 있다.
10 : 가열 장치
12 : 하우징
14 : 입구
16 : 입구 챔버
20 : 채널
22 : 출구 챔버
24 : 출구
25 : 전기 가열 유닛
26 : 전자 제어 유닛
28 : 방열체
30 : 전기 접촉부재
32 : 벽체
34 : 벽체
36 : 분기 지점
38 : 합류 지점
40 : 상부 벽체
42 : 열 전달 유닛
46 : 혼합 장치
48 : 회전부재
50 : 굴절부재

Claims (20)

  1. 액체 열 전달 매체를 위한 유로; 및
    유로의 가열부에서 열 전달 매체를 가열하기 위한 전기 가열 유닛(25)을 포함하며,
    가열부는, 열 전달 매체가 병렬적으로 유동할 수 있는 적어도 2개의 구불구불한 채널들(20)을 포함하고,
    채널들(20) 각각은, 2*N 개의 헤어핀 커브들을 포함하며, 상기 N은 자연수인 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    유로는,
    가열부 상류의 입구 챔버(16); 및
    가열부 하류의 출구 챔버(22)를 포함하며,
    채널들(20)은,
    입구 챔버(16)로부터 분기되어 상기 출구 챔버(22)로 배출되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    입구 챔버(16)의 단면적은 채널들의 분기지점(36)들에 따른 열 전달 매체의 유동 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    입구 챔버(16)와 출구 챔버(22)는 가늘고 길며, 서로 나란하게 연장되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    채널들(20)은, 입구 챔버(16)로부터 수직으로 분기되고 출구 챔버(22)로 직각으로 배출되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유로는,
    열 전달 매체를 내부에 인입시키기 위한 입구 챔버(16)와 통하는 입구(14); 및
    열 전달 매체를 외부로 배출시키기 위한 출구 챔버(22)부의 출구(24)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항 또는 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 채널은, 채널 내에서 유동하는 열 전달 매체의 채널의 세로 축에 대한 회전을 일으키는 적어도 하나의 회전부재(48)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    회전부재(48)는 채널 안쪽에서 열 전달 매체를 혼합시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    전기 가열 유닛(25)의 발열량을 제어하기 위한 전자 제어 유닛(26)을 포함하며,
    전자 제어 유닛(26)에는 전자 제어 유닛(26)으로부터 나오는 폐열을 유로의 입구 챔버(16)의 열 전달 매체로 방열하기 위한 방열체(28)가 마련된 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    전기 가열 유닛(25)으로부터 나오는 열을 채널들(20) 내의 상기 열 전달 매체로 전달하기 위한 열 전달 유닛(18)을 포함하며,
    열 전달 유닛(18)과 방열체(28)는 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    열 전달 유닛(18)과 방열체(28)를 상호 연결시키고, 열 전달 유닛(18)과 상기 방열체(28) 사이의 열 저항이 최단 라인과 비교하여 증가하도록 비직선 라인을 따라 연장하는 연결부재(44)를 구비하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    연결부재(44)는, L, U, V, S, Z, N, M, 또는 W 중 어느 하나의 형상인 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    열 전달 유닛(18)은 적어도 부분적으로 채널들을 구획하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  15. 제1항의 차량용 가열 장치를 작동하는 방법에 있어서,
    상기 적어도 2개의 구불구불한 채널들(20)을 통해 액체 열 전달 매체를 동시에 유동시키는 단계;
    상기 전기 가열 유닛(25)을 이용하여 열 전달 매체를 가열시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량의 가열 장치의 작동 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 열 전달 유닛(18_은 상기 전기 가열 유닛(15)의 일측에 배치된 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 구불구불한 채널들(20)은 입구 챔버(16)로부터 출구 챔버(22)까지 보았을 때 서로 인접하게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    헤어핀 커브들 사이의 상기 적어도 2개의 구불구불한 채널들(20)은 서로 직접 인접되게 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    서로 직접 인접되게 배치된 헤어핀 커브들 사이의 상기 적어도 2개의 구불구불한 채널들은 공통의 파티션 벽들을 공유하는 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    적어도 2개의 구불구불한 채널들(20)은 동일한 모양을 가진 것을 특징으로 하는 차량용 가열 장치.
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